Relativität schwächt chemische Bindung im superschweren Seaborgium

Innerhalb einer Gruppe des Periodensystems werden bestimmte Metallbindungen von Chrom über Molybdän bis Wolfram zunehmend fester. Beim superschweren Seaborgium kehrt sich dieser Trend offenbar um, wie ein Experiment mit einzelnen Atomen zeigt. In einer Seaborgium-Verbindung ist die Bindung zu Kohlenmonoxid schwächer als beim leichteren Wolfram. Der Befund stimmt mit Vorhersagen überein, die relativistische Effekte berücksichtigen.

Darmstadt (Deutschland). Das Periodensystem ordnet Elemente nach ihren Eigenschaften und lässt dadurch auch Rückschlüsse auf ihre chemischen Verbindungen zu. Besonders bei den schwersten Elementen stößt die Vorhersage nach bekannten Gruppentrends aber an Grenzen. Denn die starke Anziehung ihrer Atomkerne verändert die Bewegungen und Energien der Elektronen so deutlich, dass Effekte aus Einsteins Relativitätstheorie eine Rolle spielen.

Ein Beispiel liefern Chrom, Molybdän und Wolfram. Alle drei können mit sechs Kohlenmonoxid-Molekülen sogenannte Hexacarbonyle bilden, in denen ein Metallatom von sechs CO-Gruppen umgeben ist. Die Energie, die zum Abspalten der ersten dieser Gruppen nötig ist, nimmt in dieser Reihe zu. Für das noch schwerere Seaborgium mit der Ordnungszahl 106 war deshalb besonders interessant, ob sich dieser Anstieg fortsetzt.

Forscher des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung (GSI) um Dr. Alexander Yakushev haben nun die Bindungsstärke im Seaborgium-Hexacarbonyl Sg(CO)₆ experimentell bestimmt. Als Vergleich diente die entsprechende Verbindung des Wolframs. Weil Seaborgium künstlich erzeugt wird und seine Atomkerne rasch zerfallen, musste das Team seine Chemie Atom für Atom verfolgen.

Einzelne Atome im Gasstrom nachgewiesen

Für das Experiment erzeugten die Wissenschaftler am Beschleuniger das Seaborgium-Isotop 259 sowie die Wolfram-Isotope 161 und 162. Mithilfe des Separators TASCA trennten sie die gesuchten Atome von anderen Reaktionsprodukten und brachten sie anschließend mit Kohlenmonoxidgas zusammen. Dabei konnten sich Metallkomplexe mit unterschiedlich vielen CO-Gruppen bilden.

„Mit dem TASCA-Separator wurden die Seaborgium-Atome von anderen Reaktionsprodukten getrennt und zur chemischen Analyse weitergeleitet“, erläutert Juha Uusitalo von der University of Jyväskylä (JYU).

Entscheidend war, welche Reaktionsprodukte in zwei hintereinandergeschalteten Detektoren registriert wurden. Unvollständige, reaktionsfreudigere Komplexe blieben bereits im ersten Abschnitt haften. Das vergleichsweise flüchtige Hexacarbonyl gelangte dagegen bis zum zweiten, gekühlten Detektor, wo die Forscher die einzelnen Atome anhand ihres radioaktiven Zerfalls identifizierten.

Nur drei von 75 Seaborgium-Atomen

Insgesamt wies das Team 75 Seaborgium-Atome nach. Nur drei davon erreichten den zweiten Detektor als Seaborgium-Hexacarbonyl, also rund vier Prozent. Beim Wolfram lag der Anteil des entsprechenden vollständigen Komplexes dagegen bei etwa 17 Prozent. Aus den unterschiedlichen Bildungshäufigkeiten und einem Modell der Reaktionsgeschwindigkeit leitete das Team die Stärke der letzten Metall-CO-Bindung ab.

Für das Seaborgium-Hexacarbonyl ergab sich eine Bindungsdissoziationsenergie von 188 Kilojoule pro Mol, für die Wolfram-Verbindung beträgt der Vergleichswert 192 Kilojoule pro Mol. Der abgeleitete Unterschied liegt bei vier Kilojoule pro Mol mit einer Unsicherheit von zwei Kilojoule pro Mol. Die Einzelwerte besitzen wegen der zugrunde liegenden Referenzmessung größere Unsicherheiten von neun beziehungsweise acht Kilojoule pro Mol.

„Zum ersten Mal ist es uns gelungen, die Stärke einer chemischen Bindung in der Verbindung eines superschweren Elements zu messen, nämlich zwischen dem zentralen Seaborgium-Atom und einem Kohlenmonoxid-Liganden. Anschließend haben wir sie mit derselben Bindung im Hexacarbonyl des leichteren Elements Wolfram verglichen“, erklärt Dr. Alexander Yakushev.

Relativistische Effekte erklären die Umkehr

Die Messungen zeigen demnach nicht den erwarteten weiteren Anstieg, sondern eine leichte Abschwächung der Bindung von Wolfram zu Seaborgium. Das passt zu modernen quantenchemischen Berechnungen, die den Einfluss der Relativität auf die Elektronen berücksichtigen. Modelle ohne diese Effekte sagen dagegen eine zunehmende Bindungsstärke voraus.

Nach den Rechnungen verändern relativistische Effekte beim Seaborgium vor allem die Energien und räumlichen Eigenschaften der sogenannten 6d-Orbitale. Dadurch wird der Elektronenaustausch zwischen dem Metallatom und den Kohlenmonoxid-Gruppen geschwächt. Dieser Mechanismus wurde nicht unmittelbar beobachtet, er liefert aber eine physikalische Erklärung für die gemessene Trendwende.

„Von Chrom über Molybdän bis Wolfram nimmt die Bindungsstärke in den Hexacarbonyl-Verbindungen zu, weshalb sie beim Seaborgium eigentlich noch größer sein müsste. Die Messungen zeigen jedoch, dass die hohe Ordnungszahl des Seaborgiums seine Elektronenhülle verändert, diesen Trend umkehrt und die Bindung schwächt“, erläutert Dr. Alexander Yakushev.

Die Untersuchung macht damit einen bislang nur schwer zugänglichen Einfluss der Relativität auf chemische Bindungen experimentell überprüfbar. Allerdings beruht die Seaborgium-Messung auf lediglich drei nachgewiesenen vollständigen Komplexen, und die Bindungsenergie wurde aus ihrer Bildungshäufigkeit errechnet. Die Forscher wollen die Methode nun auf noch schwerere Elemente ausdehnen, deren chemische Eigenschaften sich möglicherweise noch deutlicher vom gewohnten Periodensystem unterscheiden.

Quellen:

Originalstudie im Fachmagazin Nature, doi: 10.1038/s41586-026-11105-2

Offizielle Studienmitteilung von University of Jyväskylä (JYU)

Offizielle Studienmitteilung von GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI)

15. Oktober 2026 - Robert Klatt

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